automatisch fahrerlos fahrendes
Absicherungsfahrzeug
für Arbeitsstellen auf Bundesautobahnen

Technische Entwicklung

MAN-Gesamtfahrzeug

Als Versuchsträger für das automatisch fahrerlos fahrende Absicherungsfahrzeug wird ein für diesen Anwendungsfall häufig eingesetzter Fahrzeugtyp mittleren Gewichts eingesetzt. Es handelt sich um einen MAN TGM 18.340 4x2 mit Kipperaufbau, der für den Einsatz als Demonstratorfahrzeug mit einem größeren Fahrerhaus (Typ L) und einem zusätzlichen dritten Sitz ausgestattet ist.

Im Pilotbetrieb ist dieses Fahrzeug in der Lage, Kurzzeitarbeitsstellen auf dem Seitenstreifen von Autobahnen, wie z.B. stationäre Kurzzeitarbeitsstellen, Mäharbeiten und andere bewegliche Arbeitsstellen ohne eigenen Fahrer abzusichern. Dazu folgt es einem bemannten Arbeitsfahrzeug  und weist den fließenden Verkehr über eine Warntafel auf die Arbeitsstelle hin. Da ein solches Fahrzeug einem erhöhten Unfallrisiko ausgesetzt ist, und im Fall eines Unfalls die Auswirkungen häufig verheerend sind, ist der fahrerlose Betrieb eines solchen Fahrzeugs gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Arbeitssicherheit für das Bedienpersonal.

Das AFA wird wie ein herkömmliches Absicherungsfahrzeug von einem Fahrer ‚manuell‘ zu seinem Einsatzort gefahren. Im Einsatz verfügt es jedoch zusätzlich über drei verschiedene fahrerlose Betriebsmodi, die über automobiles WLAN (ITS-G5) aus einem vorausfahrenden Arbeitsfahrzeug angefordert werden können. Im Folgebetrieb folgt das AFA dem Seitenstreifen einer Autobahn mit geringer Geschwindigkeit und in definiertem Abstand zu einer vorausliegenden, mobilen Arbeitsstelle. Bei der ‚Gekoppelten Fahrt‘ folgt das Absicherungsfahrzeug einem vorausfahrenden Arbeitsfahrzeug mit geringer Geschwindigkeit in sehr geringem Abstand, um z.B. Beschleunigungs- oder Verzögerungsstreifen zu überqueren. Im Modus ‚Sicheres Anhalten‘ wird das Fahrzeug in einer definierten Position abgestellt, um eine stationäre Arbeitsstelle zu sichern. Die sogenannte ‚AFA-Logik‘, die auf einem eigenen, mit dem Fahrzeug vernetzten Bordrechner ausgeführt wird, koordiniert die Übergänge zwischen den Betriebsmodi um und übernimmt je nach Betriebszustand die Fahraufgabe.

Um im Pilotbetrieb diese Aufgaben ohne Fahrer ausführen zu können, muss das Fahrzeug in der Lage sein, Begrenzungen des Seitenstreifens und ein vorausfahrendes Führungsfahrzeug sensorisch zu erfassen.  Da der automatisierte, fahrerlose Betrieb nur auf Seitenstreifen von Autobahnen erlaubt ist, muss das Fahrzeug über eine Selbstwahrnehmung verfügen, mit der zusätzlich zu technischen Störungen im System auch eine drohende Verletzung der Systemgrenzen des automatisierten Betriebs detektiert werden kann.

Zur Umsetzung der durch die AFA-Logik vorgegebenen Fahrmanöver verfügt das Fahrzeug über eine elektrohydraulischen Lenkaktuator der Fa. Bosch, über ein elektronisches Bremssystem der Firma WABCO, sowie über Schnittstellen zum Motor und dem automatisierten Schaltgetriebe. Die Umfelderfassung wird von ZF-TRW und die Funkverbindung sowie prototypische Anzeige- und Bedienelemente von MAN bereitgestellt. Serienmäßig verfügbare Sensorien, wie z.B. die LGS-Kamera und Sicherheitssysteme, wie z.B. AEBS, dienen als Redundanz bzw. als Rückfallebene für das AFA-System und erhöhen zusätzlich die funktionale Sicherheit.

Der Aufbau des Fahrzeugs, die Integration aller erforderlichen Komponenten, die Entwicklung von Regelungssystemen zur automatisierten Längs- und Querführung des Fahrzeugs sowie die Implementierung der AFA-Logik werden von der MAN Truck & Bus AG durchgeführt.

 

Aktorik

Bremsaktuatorik

Als weltweit führender Zulieferer von Fahrzeugregel- und Bremstechnologien für die Nutzfahrzeugindustrie ist WABCO innerhalb des aFAS Projekts für die Bremsaktuatorik verantwortlich.

Normalerweise aktiviert der Fahrer über das Bremspedal die Bremse, um das Fahrzeug zu verlangsamen oder zum Stehen zu bringen. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts übernimmt WABCO die Beantwortung der zentralen Fragestellung, wie ein fahrerloses Fahrzeug bei Bedarf sicher zum Stehen gebracht werden kann.

Für den autonomen und fahrerlosen Betrieb sind hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit des Fahrzeuges sowie an die Qualität der Fahrzeugtechnik zu erfüllen. So muss das Bremssystem besonders strengen Kriterien für sicherheitsrelevante Systeme in Kraftfahrzeugen gerecht werden, denn Voraussetzung für die Realisierung eines fahrerlos automatisiert fahrenden Absperrfahrzeugs ist es, gewährleisten zu können, das Fahrzeug zu jedem Zeitpunkt umgehend sicher zum Stehen bringen zu können. Die autonome Bremsansteuerung muss sich dabei nahtlos in die Architektur der gesamten Fahrzeugsteuerung einfügen.

Für das aFAS Projekt modifiziert WABCO eines seiner in Serie befindlichen Elektronischen Bremssysteme (EBS). Das EBS-System beinhaltet zusätzliche Funktionen wie die Anti-Blockier-Funktion (ABS), die Antriebs-Schlupf-Regelung (ASR) und die Elektronische Stabilitätsregelung (ESC). Diese Funktionen leisten einen wichtigen Beitrag, um das Fahrzeug sowohl in Längs- als auch in Querrichtung jederzeit stabil zu halten.

Zur Überwachung und Anpassung der Fahrzeuggeschwindigkeit bezieht das Bremssystem aus dem Hause WABCO Informationen sowohl von den Drehzahlsensoren, als auch über die Schnittstelle zum Kommunikationsnetzwerk des Gesamtfahrzeugs CAN (Controller Area Network), welches die Fahrzeug-Steuergeräte verbindet.

Seit der Markteinführung der autonomen Notbremssysteme wie WABCO’s OnGuardACTIVE™ verfügt dieses EBS-System bereits serienmäßig über eine Schnittstelle für externe Bremsanforderungen (XBR). Über diese Kommunikationsschnittstelle ist es möglich, Verzögerungsanfragen auch von anderen Fahrzeugkomponenten an das EBS-System zu übermitteln, die dann entsprechend unter Berücksichtigung aller Stabilitätskriterien automatisch ausgeregelt werden.

Lenkaktuatorik

Voraussetzung für die Querführung des voll automatisiert geführten Versuchsträgers ist die Möglichkeit einer fahrerunabhängigen Vorgabe des Fahrzeugradlenkwinkels an der Vorderachse.

Zur Realisierung einer Radlenkwinkelvorgabe muss das Lenksystem die Möglichkeit einer Winkelregelung über eine externe Fahrerassistenzschnittstelle zur Verfügung stellen. Die Servotwin, das elektro-hydraulische Lenksystem von Robert Bosch Automotive Steering GmbH für Nutzfahrzeuge, bietet die Möglichkeit einer aktiven Regelung. Neben gesteigerter Lenkpräzision und verbessertem Lenkkomfort können somit erstmals Fahrerassistenzfunktionen im Nutzfahrzeugbereich dargestellt werden. Der Aufbau der Servotwin entspricht dem einer Zweikreis-Lenkung mit getrennter Energieversorgung im Sinne des Gesetzgebers (siehe Abbildung des Lenkmoduls).

Auf dem Steuergerät des Lenksystems ist neben den Algorithmen zur Lenkgefühlsverbesserung ein Winkelregler implementiert, welcher über eine CAN-Schnittstelle angesteuert werden kann und die externe Vorgabe eines Radlenkwinkels umsetzt. Auf Basis dieser Lenkfunktion soll die Querführung des Versuchsträgers erfolgen.

Die funktionalen Anforderungen an das Lenksystem und die Güte der Winkelregelung werden im Rahmen des Projekts unter Berücksichtigung von Sicherheitsanforderungen ermittelt. Die Systemzustände zur Steuerung der Übernahme-Vorgänge vom fahrerbasierten zum voll automatisierten Fahren müssen ebenfalls definiert und implementiert werden.

Das Lenksystem, als sicherheitsrelevante Systemkomponente, erfüllt bereits höchste Anforderungen der funktionalen Sicherheit. Daher ist geplant Sicherheitsalgorithmen zur Erfüllung der Anforderungen zur Überführung des Fahrzeugs in den risikominimalen Zustand auf dem Lenkungssteuergerät zu implementieren. Dabei stellt das Fahrzeug im Stillstand den risikominimalen Zustand dar. Es gilt daher durch die intelligente Vernetzung von Umfeldsensorik, Lenkung und Bremse die Anforderungen der funktionalen Sicherheit nach ISO26262 zu erfüllen.

 

Sensorik

Für das fahrerlos automatisiert fahrende Absperrfahrzeug (AFA) ist eine zuverlässige Erkennung der Begrenzung des befahrbaren Bereichs notwendig. Hierzu wird neben einer Detektion von Fahrstreifenmarkierungen eine vollständige Erfassung aller relevanten Objekte vor dem Fahrzeug benötigt.

ZF TRW liefert die Sensorik inklusive der Umfelderkennung und -modellierung, um der anschließenden Fahrzeugregelung ein abgesichertes Abbild der Fahrzeugumgebung und des zulässig befahrbaren Fahrbahnabschnitts verfügbar zu machen.

Die Lösung wird auf Basis von Sensoren entwickelt, die auch in anderen Applikationen Verwendung finden. Der zuverlässige Betrieb unter verschiedensten Bedingungen wird durch redundante Auslegung der Sensorik und der Freiraumerkennung ermöglicht.

Ein mittig verbautes Radar sorgt für eine gute laterale Auflösung bei zugleich hoher Reichweite, um die relative Position des Arbeitsfahrzeugs zum AFA präzise zu bestimmen. Zwei Radare mit großem Öffnungswinkel und etwas geringerer Reichweite dienen der Nahfeldüberwachung und insbesondere der Fußgängererkennung. Eine Kamera zur Detektion von Fahrstreifenmarkierungen sowie zur Erkennung des Führungsfahrzeugs und anderer Verkehrsteilnehmer oder Personen komplettiert die Sensorkonfiguration.

Die Daten werden in drei Schritten (Detektion, Datenfusion und Szenenbeschreibung) zur Weitergabe an die Fahrzeugsteuerung aufbereitet. Die Herausforderung liegt dabei zum einen in der Fusion der von den unterschiedlichen Sensoren gelieferten Daten und zum anderen in der Ableitung einer genauen Beschreibung des erkannten Fahrzeugumfeldes. Der wesentliche Unterschied zu existierenden Systemen besteht in der mehrfach unabhängigen Erkennung der Umgebungssituation.

 

Funkkanal

Befindet sich das Absicherungsfahrzeug (AFA) im fahrerlosen Betrieb, so obliegt die Kontrolle über den Betriebsmodus des Absicherungsfahrzeugs dem Fahrer des vorausfahrenden Arbeitsfahrzeugs (Operator). Über die Bedienelemente im Arbeitsfahrzeug kann so für die Absicherung der Wanderbaustelle ein Folgen in großem Abstand, oder für das Überqueren eines Beschleunigungs- oder Verzögerungsstreifens ein Folgen in geringem Abstand angefordert werden.

Der hierzu erforderliche Datenaustausch zwischen den Fahrzeugen wird über eine durch die MAN Truck & Bus bereitgestellte prototypische Funkkommunikationseinrichtung ermöglicht. Die Kommunikation nutzt als Grundlage einen im Car-2-Car-Communication Consortium entwickelten Standard für automobiles WLAN (ITS-G5), der auf dem WLAN-Standard IEEE 802.11p aufbaut. Die Technologie zeichnet sich durch eine direkte Übertragung mit geringen Latenzzeiten innerhalb von ad-hoc-Netzwerken aus und ermöglicht Übertragungsreichweiten von bis zu 1000m.

Sowohl das Arbeits- als auch das Absicherungsfahrzeug verfügen über eine On-Board-Unit und zugehörige Funkantennen. Diese sind z.B. in den Außenspiegeln oder auf dem Fahrzeugdach angebracht, um eine bestmögliche Kommunikation zwischen den Fahrzeugen sicherzustellen.

Die übertragenen Informationen setzen sich aus zyklisch übermittelten Fahrzeug- und Betriebszustandsdaten, sowie ereignisgesteuert ausgetauschten Bedienbefehlen und Statusrückmeldungen zusammen.

Die Fahrzeug- und Betriebszustandsdaten beinhalten beispielsweise die Position, Geschwindigkeit und die Gierrate des Fahrzeugs sowie Motor- und Bremsmomente und Lenkradwinkel. Insbesondere bei einer Folgefahrt in geringem Abstand (Koppelbetrieb) erlaubt die Übertragung von Sollgrößen der Fahrzeugaktuatorik eine quasi synchrone Folgefahrt mit im Vergleich zu einer rein sensorbasierten Regelung deutlich verringerten Reaktionszeiten.

Fordert der Fahrer des Arbeitsfahrzeug über die dort befindlichen Bedienelemente einen bestimmten Betriebszustand des AFA an, so wird die Anforderung als Request an das Absicherungsfahrzeug übermittelt und dort von einer zentralen Kontrolleinheit verarbeitet. Nach Verarbeitung des Befehls übermittelt das AF eine Antwort an das Arbeitsfahrzeug, wo dem Operator über das HMI entweder der erfolgreiche Zustandswechsel oder die Ursache des fehlgeschlagenen Zustandswechsels angezeigt wird. Die ereignisgesteuerte Übermittlung dieser Botschaften dient der Entlastung des Funkkanals.

 

Human-Machine-Interface

Das Sicherheitskonzept für den fahrerlosen Betrieb des fahrerlos automatisiert fahrenden Absicherungsfahrzeugs (AFA) erfordert, dass der Fahrer im vorausfahrenden Arbeitsfahrzeug (Operator) den Betriebszustand des nachfolgenden Absicherungsfahrzeugs zu jedem Zeitpunkt überwachen und steuern kann. Die Umsetzung dieser Anforderung ist Aufgabe der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) in beiden Fahrzeugen, die die Gesamtheit der systemspezifischen Anzeige- und Bedienelemente umfasst.

Die Konzeption und Implementierung des HMI wird von der MAN Truck & Bus AG durchgeführt. Um sicherzustellen, dass das Anzeige- und Bedienkonzept auch den durch die realen Betriebsbedingungen bedingten Anforderungen des Betreibers genügt, erfolgt die Entwicklung in Abstimmung mit Hessen Mobil.

In den Cockpits beider Fahrzeuge sind Displays verbaut, die neben der Anzeige des aktuellen Betriebszustands auch zur Ausgabe von Statusinformationen über die Verarbeitung von Bedienbefehlern und den Status der Fahrzeuge dienen. Mögliche Systemzustände sind neben dem  ‚manuellen Betrieb‘ und dem ‚Sicheren Anhalten‘ die ‚Folgefahrt‘, bei der das AFA dem Arbeitsfahrzeug in großem Abstand folgt, und die ‚Gekoppelte Fahrt‘, bei der das AFA dem Arbeitsfahrzeug durch eine „Deichselregelung“ dem Führungsfahrzeug in dichtem Abstand nachfährt.

In beiden Fahrzeugen sind Hauptschalter zur Freischaltung des automatisierten Betriebs verbaut. Jedes Fahrzeug verfügt darüber hinaus über einen Notausschalter. Eine Betätigung dieses Schalters führt im AFA zu einem Übergang in den ‚Manuellen Betrieb‘, während eine Betätigung im Arbeitsfahrzeug das Absicherungsfahrzeug in den Zustand ‚Sicheres Anhalten‘ überführt.

Die Bedienelemente im Arbeitsfahrzeug ermöglichen die Anforderung aller Betriebszustände des AFA über die Funkverbindung zwischen den Fahrzeugen. Ein Übergang in diese Zustände kann dabei nur dann erfolgen, wenn die zentrale AFA-Logik bestätigt, dass alle Voraussetzungen an die Verkehrssituation, den technischen Zustand der Fahrzeuge usw. für den angeforderten Zustandswechsel erfüllt sind und die Systemgrenzen eingehalten werden. Verhindert ein technischer Fehler oder eine drohende Verletzung der Systemgrenzen einen (weiteren) fahrerlosen Betrieb des AFA, so wird der Operator im Arbeitsfahrzeug über die vorliegende Situation informiert und erhält ggf. Anweisungen für weitere erforderliche Handlungsschritte.

 

 

Technische Entwicklung

MAN-Gesamtfahrzeug

Als Versuchsträger für das automatisch fahrerlos fahrende Absicherungsfahrzeug wird ein für diesen Anwendungsfall häufig eingesetzter Fahrzeugtyp mittleren Gewichts eingesetzt. Es handelt sich um einen MAN TGM 18.340 4x2 mit Kipperaufbau, der für den Einsatz als Demonstratorfahrzeug mit einem größeren Fahrerhaus (Typ L) und einem zusätzlichen dritten Sitz ausgestattet ist.

Im Pilotbetrieb ist dieses Fahrzeug in der Lage, Kurzzeitarbeitsstellen auf dem Seitenstreifen von Autobahnen, wie z.B. stationäre Kurzzeitarbeitsstellen, Mäharbeiten und andere bewegliche Arbeitsstellen ohne eigenen Fahrer abzusichern. Dazu folgt es einem bemannten Arbeitsfahrzeug  und weist den fließenden Verkehr über eine Warntafel auf die Arbeitsstelle hin. Da ein solches Fahrzeug einem erhöhten Unfallrisiko ausgesetzt ist, und im Fall eines Unfalls die Auswirkungen häufig verheerend sind, ist der fahrerlose Betrieb eines solchen Fahrzeugs gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Arbeitssicherheit für das Bedienpersonal.

Das AFA wird wie ein herkömmliches Absicherungsfahrzeug von einem Fahrer ‚manuell‘ zu seinem Einsatzort gefahren. Im Einsatz verfügt es jedoch zusätzlich über drei verschiedene fahrerlose Betriebsmodi, die über automobiles WLAN (ITS-G5) aus einem vorausfahrenden Arbeitsfahrzeug angefordert werden können. Im Folgebetrieb folgt das AFA dem Seitenstreifen einer Autobahn mit geringer Geschwindigkeit und in definiertem Abstand zu einer vorausliegenden, mobilen Arbeitsstelle. Bei der ‚Gekoppelten Fahrt‘ folgt das Absicherungsfahrzeug einem vorausfahrenden Arbeitsfahrzeug mit geringer Geschwindigkeit in sehr geringem Abstand, um z.B. Beschleunigungs- oder Verzögerungsstreifen zu überqueren. Im Modus ‚Sicheres Anhalten‘ wird das Fahrzeug in einer definierten Position abgestellt, um eine stationäre Arbeitsstelle zu sichern. Die sogenannte ‚AFA-Logik‘, die auf einem eigenen, mit dem Fahrzeug vernetzten Bordrechner ausgeführt wird, koordiniert die Übergänge zwischen den Betriebsmodi um und übernimmt je nach Betriebszustand die Fahraufgabe.

Um im Pilotbetrieb diese Aufgaben ohne Fahrer ausführen zu können, muss das Fahrzeug in der Lage sein, Begrenzungen des Seitenstreifens und ein vorausfahrendes Führungsfahrzeug sensorisch zu erfassen.  Da der automatisierte, fahrerlose Betrieb nur auf Seitenstreifen von Autobahnen erlaubt ist, muss das Fahrzeug über eine Selbstwahrnehmung verfügen, mit der zusätzlich zu technischen Störungen im System auch eine drohende Verletzung der Systemgrenzen des automatisierten Betriebs detektiert werden kann.

Zur Umsetzung der durch die AFA-Logik vorgegebenen Fahrmanöver verfügt das Fahrzeug über eine elektrohydraulischen Lenkaktuator der Fa. Bosch, über ein elektronisches Bremssystem der Firma WABCO, sowie über Schnittstellen zum Motor und dem automatisierten Schaltgetriebe. Die Umfelderfassung wird von ZF-TRW und die Funkverbindung sowie prototypische Anzeige- und Bedienelemente von MAN bereitgestellt. Serienmäßig verfügbare Sensorien, wie z.B. die LGS-Kamera und Sicherheitssysteme, wie z.B. AEBS, dienen als Redundanz bzw. als Rückfallebene für das AFA-System und erhöhen zusätzlich die funktionale Sicherheit.

Der Aufbau des Fahrzeugs, die Integration aller erforderlichen Komponenten, die Entwicklung von Regelungssystemen zur automatisierten Längs- und Querführung des Fahrzeugs sowie die Implementierung der AFA-Logik werden von der MAN Truck & Bus AG durchgeführt.

 

Aktorik

Bremsaktuatorik

Als weltweit führender Zulieferer von Fahrzeugregel- und Bremstechnologien für die Nutzfahrzeugindustrie ist WABCO innerhalb des aFAS Projekts für die Bremsaktuatorik verantwortlich.

Normalerweise aktiviert der Fahrer über das Bremspedal die Bremse, um das Fahrzeug zu verlangsamen oder zum Stehen zu bringen. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts übernimmt WABCO die Beantwortung der zentralen Fragestellung, wie ein fahrerloses Fahrzeug bei Bedarf sicher zum Stehen gebracht werden kann.

Für den autonomen und fahrerlosen Betrieb sind hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit des Fahrzeuges sowie an die Qualität der Fahrzeugtechnik zu erfüllen. So muss das Bremssystem besonders strengen Kriterien für sicherheitsrelevante Systeme in Kraftfahrzeugen gerecht werden, denn Voraussetzung für die Realisierung eines fahrerlos automatisiert fahrenden Absperrfahrzeugs ist es, gewährleisten zu können, das Fahrzeug zu jedem Zeitpunkt umgehend sicher zum Stehen bringen zu können. Die autonome Bremsansteuerung muss sich dabei nahtlos in die Architektur der gesamten Fahrzeugsteuerung einfügen.

Für das aFAS Projekt modifiziert WABCO eines seiner in Serie befindlichen Elektronischen Bremssysteme (EBS). Das EBS-System beinhaltet zusätzliche Funktionen wie die Anti-Blockier-Funktion (ABS), die Antriebs-Schlupf-Regelung (ASR) und die Elektronische Stabilitätsregelung (ESC). Diese Funktionen leisten einen wichtigen Beitrag, um das Fahrzeug sowohl in Längs- als auch in Querrichtung jederzeit stabil zu halten.

Zur Überwachung und Anpassung der Fahrzeuggeschwindigkeit bezieht das Bremssystem aus dem Hause WABCO Informationen sowohl von den Drehzahlsensoren, als auch über die Schnittstelle zum Kommunikationsnetzwerk des Gesamtfahrzeugs CAN (Controller Area Network), welches die Fahrzeug-Steuergeräte verbindet.

Seit der Markteinführung der autonomen Notbremssysteme wie WABCO’s OnGuardACTIVE™ verfügt dieses EBS-System bereits serienmäßig über eine Schnittstelle für externe Bremsanforderungen (XBR). Über diese Kommunikationsschnittstelle ist es möglich, Verzögerungsanfragen auch von anderen Fahrzeugkomponenten an das EBS-System zu übermitteln, die dann entsprechend unter Berücksichtigung aller Stabilitätskriterien automatisch ausgeregelt werden.

Lenkaktuatorik

Voraussetzung für die Querführung des voll automatisiert geführten Versuchsträgers ist die Möglichkeit einer fahrerunabhängigen Vorgabe des Fahrzeugradlenkwinkels an der Vorderachse.

Zur Realisierung einer Radlenkwinkelvorgabe muss das Lenksystem die Möglichkeit einer Winkelregelung über eine externe Fahrerassistenzschnittstelle zur Verfügung stellen. Die Servotwin, das elektro-hydraulische Lenksystem von Robert Bosch Automotive Steering GmbH für Nutzfahrzeuge, bietet die Möglichkeit einer aktiven Regelung. Neben gesteigerter Lenkpräzision und verbessertem Lenkkomfort können somit erstmals Fahrerassistenzfunktionen im Nutzfahrzeugbereich dargestellt werden. Der Aufbau der Servotwin entspricht dem einer Zweikreis-Lenkung mit getrennter Energieversorgung im Sinne des Gesetzgebers (siehe Abbildung des Lenkmoduls).

Auf dem Steuergerät des Lenksystems ist neben den Algorithmen zur Lenkgefühlsverbesserung ein Winkelregler implementiert, welcher über eine CAN-Schnittstelle angesteuert werden kann und die externe Vorgabe eines Radlenkwinkels umsetzt. Auf Basis dieser Lenkfunktion soll die Querführung des Versuchsträgers erfolgen.

Die funktionalen Anforderungen an das Lenksystem und die Güte der Winkelregelung werden im Rahmen des Projekts unter Berücksichtigung von Sicherheitsanforderungen ermittelt. Die Systemzustände zur Steuerung der Übernahme-Vorgänge vom fahrerbasierten zum voll automatisierten Fahren müssen ebenfalls definiert und implementiert werden.

Das Lenksystem, als sicherheitsrelevante Systemkomponente, erfüllt bereits höchste Anforderungen der funktionalen Sicherheit. Daher ist geplant Sicherheitsalgorithmen zur Erfüllung der Anforderungen zur Überführung des Fahrzeugs in den risikominimalen Zustand auf dem Lenkungssteuergerät zu implementieren. Dabei stellt das Fahrzeug im Stillstand den risikominimalen Zustand dar. Es gilt daher durch die intelligente Vernetzung von Umfeldsensorik, Lenkung und Bremse die Anforderungen der funktionalen Sicherheit nach ISO26262 zu erfüllen.

 

Sensorik

Für das fahrerlos automatisiert fahrende Absperrfahrzeug (AFA) ist eine zuverlässige Erkennung der Begrenzung des befahrbaren Bereichs notwendig. Hierzu wird neben einer Detektion von Fahrstreifenmarkierungen eine vollständige Erfassung aller relevanten Objekte vor dem Fahrzeug benötigt.

ZF TRW liefert die Sensorik inklusive der Umfelderkennung und -modellierung, um der anschließenden Fahrzeugregelung ein abgesichertes Abbild der Fahrzeugumgebung und des zulässig befahrbaren Fahrbahnabschnitts verfügbar zu machen.

Die Lösung wird auf Basis von Sensoren entwickelt, die auch in anderen Applikationen Verwendung finden. Der zuverlässige Betrieb unter verschiedensten Bedingungen wird durch redundante Auslegung der Sensorik und der Freiraumerkennung ermöglicht.

Ein mittig verbautes Radar sorgt für eine gute laterale Auflösung bei zugleich hoher Reichweite, um die relative Position des Arbeitsfahrzeugs zum AFA präzise zu bestimmen. Zwei Radare mit großem Öffnungswinkel und etwas geringerer Reichweite dienen der Nahfeldüberwachung und insbesondere der Fußgängererkennung. Eine Kamera zur Detektion von Fahrstreifenmarkierungen sowie zur Erkennung des Führungsfahrzeugs und anderer Verkehrsteilnehmer oder Personen komplettiert die Sensorkonfiguration.

Die Daten werden in drei Schritten (Detektion, Datenfusion und Szenenbeschreibung) zur Weitergabe an die Fahrzeugsteuerung aufbereitet. Die Herausforderung liegt dabei zum einen in der Fusion der von den unterschiedlichen Sensoren gelieferten Daten und zum anderen in der Ableitung einer genauen Beschreibung des erkannten Fahrzeugumfeldes. Der wesentliche Unterschied zu existierenden Systemen besteht in der mehrfach unabhängigen Erkennung der Umgebungssituation.

 

Funkkanal

Befindet sich das Absicherungsfahrzeug (AFA) im fahrerlosen Betrieb, so obliegt die Kontrolle über den Betriebsmodus des Absicherungsfahrzeugs dem Fahrer des vorausfahrenden Arbeitsfahrzeugs (Operator). Über die Bedienelemente im Arbeitsfahrzeug kann so für die Absicherung der Wanderbaustelle ein Folgen in großem Abstand, oder für das Überqueren eines Beschleunigungs- oder Verzögerungsstreifens ein Folgen in geringem Abstand angefordert werden.

Der hierzu erforderliche Datenaustausch zwischen den Fahrzeugen wird über eine durch die MAN Truck & Bus bereitgestellte prototypische Funkkommunikationseinrichtung ermöglicht. Die Kommunikation nutzt als Grundlage einen im Car-2-Car-Communication Consortium entwickelten Standard für automobiles WLAN (ITS-G5), der auf dem WLAN-Standard IEEE 802.11p aufbaut. Die Technologie zeichnet sich durch eine direkte Übertragung mit geringen Latenzzeiten innerhalb von ad-hoc-Netzwerken aus und ermöglicht Übertragungsreichweiten von bis zu 1000m.

Sowohl das Arbeits- als auch das Absicherungsfahrzeug verfügen über eine On-Board-Unit und zugehörige Funkantennen. Diese sind z.B. in den Außenspiegeln oder auf dem Fahrzeugdach angebracht, um eine bestmögliche Kommunikation zwischen den Fahrzeugen sicherzustellen.

Die übertragenen Informationen setzen sich aus zyklisch übermittelten Fahrzeug- und Betriebszustandsdaten, sowie ereignisgesteuert ausgetauschten Bedienbefehlen und Statusrückmeldungen zusammen.

Die Fahrzeug- und Betriebszustandsdaten beinhalten beispielsweise die Position, Geschwindigkeit und die Gierrate des Fahrzeugs sowie Motor- und Bremsmomente und Lenkradwinkel. Insbesondere bei einer Folgefahrt in geringem Abstand (Koppelbetrieb) erlaubt die Übertragung von Sollgrößen der Fahrzeugaktuatorik eine quasi synchrone Folgefahrt mit im Vergleich zu einer rein sensorbasierten Regelung deutlich verringerten Reaktionszeiten.

Fordert der Fahrer des Arbeitsfahrzeug über die dort befindlichen Bedienelemente einen bestimmten Betriebszustand des AFA an, so wird die Anforderung als Request an das Absicherungsfahrzeug übermittelt und dort von einer zentralen Kontrolleinheit verarbeitet. Nach Verarbeitung des Befehls übermittelt das AF eine Antwort an das Arbeitsfahrzeug, wo dem Operator über das HMI entweder der erfolgreiche Zustandswechsel oder die Ursache des fehlgeschlagenen Zustandswechsels angezeigt wird. Die ereignisgesteuerte Übermittlung dieser Botschaften dient der Entlastung des Funkkanals.

 

Human-Machine-Interface

Das Sicherheitskonzept für den fahrerlosen Betrieb des fahrerlos automatisiert fahrenden Absicherungsfahrzeugs (AFA) erfordert, dass der Fahrer im vorausfahrenden Arbeitsfahrzeug (Operator) den Betriebszustand des nachfolgenden Absicherungsfahrzeugs zu jedem Zeitpunkt überwachen und steuern kann. Die Umsetzung dieser Anforderung ist Aufgabe der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) in beiden Fahrzeugen, die die Gesamtheit der systemspezifischen Anzeige- und Bedienelemente umfasst.

Die Konzeption und Implementierung des HMI wird von der MAN Truck & Bus AG durchgeführt. Um sicherzustellen, dass das Anzeige- und Bedienkonzept auch den durch die realen Betriebsbedingungen bedingten Anforderungen des Betreibers genügt, erfolgt die Entwicklung in Abstimmung mit Hessen Mobil.

In den Cockpits beider Fahrzeuge sind Displays verbaut, die neben der Anzeige des aktuellen Betriebszustands auch zur Ausgabe von Statusinformationen über die Verarbeitung von Bedienbefehlern und den Status der Fahrzeuge dienen. Mögliche Systemzustände sind neben dem  ‚manuellen Betrieb‘ und dem ‚Sicheren Anhalten‘ die ‚Folgefahrt‘, bei der das AFA dem Arbeitsfahrzeug in großem Abstand folgt, und die ‚Gekoppelte Fahrt‘, bei der das AFA dem Arbeitsfahrzeug durch eine „Deichselregelung“ dem Führungsfahrzeug in dichtem Abstand nachfährt.

In beiden Fahrzeugen sind Hauptschalter zur Freischaltung des automatisierten Betriebs verbaut. Jedes Fahrzeug verfügt darüber hinaus über einen Notausschalter. Eine Betätigung dieses Schalters führt im AFA zu einem Übergang in den ‚Manuellen Betrieb‘, während eine Betätigung im Arbeitsfahrzeug das Absicherungsfahrzeug in den Zustand ‚Sicheres Anhalten‘ überführt.

Die Bedienelemente im Arbeitsfahrzeug ermöglichen die Anforderung aller Betriebszustände des AFA über die Funkverbindung zwischen den Fahrzeugen. Ein Übergang in diese Zustände kann dabei nur dann erfolgen, wenn die zentrale AFA-Logik bestätigt, dass alle Voraussetzungen an die Verkehrssituation, den technischen Zustand der Fahrzeuge usw. für den angeforderten Zustandswechsel erfüllt sind und die Systemgrenzen eingehalten werden. Verhindert ein technischer Fehler oder eine drohende Verletzung der Systemgrenzen einen (weiteren) fahrerlosen Betrieb des AFA, so wird der Operator im Arbeitsfahrzeug über die vorliegende Situation informiert und erhält ggf. Anweisungen für weitere erforderliche Handlungsschritte.